何玉春 查明 劉太勛 馬海龍 黃文華

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院）

加拿大油砂開采環(huán)保對策對新疆油田的啟示*

何玉春1查明1劉太勛1馬海龍2黃文華2

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院）

針對油砂露天開采所存在的水資源利用、尾礦處理以及溫室氣體排放3方面的環(huán)境問題。在分析加拿大油砂露天開采情況及其工藝流程的基礎(chǔ)上，介紹了其采取的環(huán)保對策：尾礦水處理后循環(huán)利用以減小新鮮水用量及對水環(huán)境的污染；采取復(fù)合尾礦處理技術(shù)（C T技術(shù)）和尾礦干化復(fù)墾技術(shù)（T R O技術(shù)）處理尾礦；應(yīng)用蒸汽輔助重力泄油（S A G D）、火燒油層（T H AI）等就地開采技術(shù)及碳捕捉和碳封存技術(shù)以減少溫室氣體的排放。從儲層性質(zhì)、重油瀝青性質(zhì)方面將加拿大油砂與新疆風(fēng)城油砂進行對比，根據(jù)風(fēng)城油砂處理難度大、尾礦水循環(huán)利用難度大、溫室氣體排放量大、尾礦處理難度大的特點，結(jié)合新疆地區(qū)實際情況，提出使用注蒸汽開發(fā)后的循環(huán)水、將尾礦水收集處理、引進相關(guān)技術(shù)即時處理尾礦、高效全自動燃氣蒸汽鍋爐、密閉集輸、采用環(huán)境友好型的就地處理技術(shù)等減小油砂開采帶來的環(huán)境污染。

油砂；露天開采；環(huán)保問題；水資源利用；尾礦處理；溫室氣體排放；加拿大；新疆油田

0 引 言

油砂屬于非常規(guī)油氣資源，是重要的常規(guī)油氣資源替代品。加拿大的油砂資源、開采技術(shù)都處于世界領(lǐng)先水平。目前，加拿大油砂開采主要采取露天開采（O pen-pit Mining）和就地開采（In Situ）兩種方式［1-2］。露天開采適用于埋藏相對較淺（埋深＜75 m）的油砂礦，該方式主要在水資源利用、尾礦處理和溫室氣體排放3個方面涉及環(huán)境問題，與其相應(yīng)的措施效果如何決定著露天開采方式的可持續(xù)性。

我國油砂資源豐富，分布廣泛，新疆、青海、內(nèi)蒙古、四川等地均有分布，其中，以新疆準(zhǔn)噶爾盆地西北緣油砂資源條件最優(yōu)、油砂品位最好，具有良好的開發(fā)前景［3-8］。新疆油砂地處荒漠環(huán)境，氣候干旱、降雨量小、多風(fēng)且風(fēng)大、植被稀少，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，因此，不能照搬加拿大的工藝技術(shù)，具體環(huán)保措施應(yīng)當(dāng)有所差別。

1 加拿大油砂露天開采

油砂又稱為瀝青砂，是指砂或其他造巖礦物中的天然瀝青［6］，通常是由瀝青、富礦黏土、砂、水組成的混合物。油砂資源的這一特殊性質(zhì)，決定了其開采方式與常規(guī)油氣資源開采存在較大的差異，并且，不同的埋藏深度，其開采方式也不一樣。

加拿大阿爾伯達油砂開采方式與埋深關(guān)系見圖1［9］。

圖1 加拿大阿爾伯達油砂開采方式與埋深關(guān)系

油砂露天開采的經(jīng)濟可行性取決于價格、成本和含油率，其中關(guān)鍵的成本因素是表層厚度和清除的工程。表層厚度與油砂厚度比值的關(guān)系式，稱為露天開采系數(shù)S M F（Surface Mineabil ity Factor）。當(dāng)S M F＞5時，油砂工業(yè)化開采在經(jīng)濟上是可行的。

S M F表達式見公式（1）。

式中：C0為油砂含油率，%；hw為表層厚度，m；h0為油砂厚度，m。

露天開采工藝處理油砂大致為四個環(huán)節(jié)：油砂露天采掘、重油瀝青提取、重油瀝青改質(zhì)和廢物處理［8］。目前加拿大阿爾伯達省露天油砂處理主要以熱堿水水洗工藝為主，從野外露天開采油砂到用熱堿水洗工藝處理油砂的流程見圖2。

圖2 油砂露天開采工藝流程

采掘油砂經(jīng)破碎篩分加入90℃熱堿水，經(jīng)泵增壓管道輸送至油砂處理浮選機。在浮選機內(nèi)通過空氣的浮選攪拌作用，粗砂迅速沉入設(shè)備底部排出，瀝青泡沫黏附到微小氣泡表面浮升至設(shè)備上部，中部為含微小細砂顆粒及黏土的懸濁液。設(shè)備底部的粗砂稱為粗尾礦，經(jīng)旋流分離進一步脫水，脫出的含水液排放至細土尾礦池，脫水后的粗尾礦（含水率20%，含固量80%）投加絮凝劑后排入干化池填埋。中部含微小細砂顆粒及黏土的懸濁液（稱為細土尾礦）排入細土尾礦池自然沉降分離。分離時間達數(shù)年才有上清液析出，上清液回收至油砂處理系統(tǒng)循環(huán)利用。而瀝青浮渣進入斜板沉降罐沉降分離（或旋流設(shè)備分離）進一步脫水，沉降罐上部回收油砂油含水率≤3%，即可輸送至煉廠提級，底部含油污水排放到細土尾礦池。

2 環(huán)保問題及對策

2.1 水資源及尾礦水處理

加拿大油砂開采及處理的前兩年完全使用新鮮水處理油砂，耗水量巨大，通常耗水量為洗出油量的10倍。加工1 m3合成低硫原油混合物（SSB）約需要17 m3水，但是，隨著循環(huán)水技術(shù)的使用，平均只需要2～3 m3新鮮水［10］。截至2007年，生產(chǎn)1 m3油取用新鮮水用量降低到2.03 m3。阿薩巴斯卡油砂提取中新鮮水用量隨時間變化趨勢見圖3。

自1980年以來，加拿大阿爾伯達省每提取1桶重油瀝青新鮮水的用量降低了至少70%。

無瀝青尾礦在尾礦池中沉降和固結(jié)時間預(yù)測見圖4。尾礦水自然分離即得到循環(huán)水，這一過程需要數(shù)年。同時，由于尾礦水的循環(huán)利用，大大降低了其對附近流域地表水及地下水污染的潛在威脅。

圖3 阿薩巴斯卡油砂提取中新鮮水用量隨時間變化趨勢

圖4 無瀝青尾礦在尾礦池中沉降和固結(jié)時間預(yù)測

2.2 尾礦處理

加拿大油砂礦開采形成了大面積的礦坑及尾礦湖，截至2011年，礦區(qū)油砂開發(fā)面積520 k m2，形成尾礦面積超過170 k m2，尾礦水容積達到8.0×108m3，給環(huán)境帶來巨大的破壞。

尾礦池的產(chǎn)生帶來了嚴重的環(huán)境污染和大量的土地占用。加拿大一些油砂開發(fā)公司及研究公司一直在研究尾礦處理問題。其中，Suncor公司采用復(fù)合尾礦處理技術(shù)（C T技術(shù)）和尾礦干化復(fù)墾技術(shù)（T R O技術(shù)）處理尾礦。

C T技術(shù)是將油砂處理及瀝青泡沫處理過程排放的尾礦投加石灰和絮凝劑排放到尾礦池，以加速尾礦中泥、砂、水的分離。

T R O技術(shù)是將已形成的尾礦中的細土尾礦水抽出，投加高分子絮凝劑排放到帶有斜坡的礦坑中，通過自然蒸發(fā)、滲濾達到細土尾礦干化的目的。將干化的尾礦拉運到其他地方或就地復(fù)墾。該技術(shù)的實施是將流體細土尾礦迅速干化回填成可開墾種植的景觀工程。在細土尾礦中投加聚合物絮凝劑敷設(shè)在斜坡沙壩的表層，經(jīng)滲濾干化，形成可運輸?shù)墓腆w物質(zhì)，這個分離過程大約7 d可以完成。這種工藝有望改善尾礦管理現(xiàn)狀，減少現(xiàn)有的尾礦池容積。T R O技術(shù)流程圖見圖5。

圖5 尾礦干化復(fù)墾技術(shù)（TR O技術(shù)）流程

2.3 溫室氣體排放

考慮到油砂油的提煉、改質(zhì)、精煉等過程中產(chǎn)生的溫室氣體，油砂開采過程中的碳排放問題似乎顯得格外突出。隨著新排放法規(guī)的頒布以及人們對于全球變暖的日益關(guān)注，減少溫室氣體的排放越來越重要。然而，據(jù)Jacobs Consulting公司研究證實，按照“從油井到車輪”的標(biāo)準(zhǔn)比較，油砂的溫室氣體排放僅比常規(guī)原油高5%～15%。

蒸汽輔助重力泄油（S A G D）、火燒油層（T H AI）等就地開采技術(shù)的應(yīng)用［11-12］，有助于減少露天開采油砂時天然氣燃燒產(chǎn)生的碳排放。同時，加拿大也投入研發(fā)碳捕捉和碳封存技術(shù)，以期減少溫室氣體的排放。Syncrude公司油砂分離過程中C O2排放量變化趨勢見圖6。

圖6 Syncrude公司油砂分離過程中C O2排放量變化

從圖6可以看出，油砂分離提取中，每得到1桶低硫合成原油，C O2排放量總體呈逐年下降的趨勢，這對于緩解油砂開采中的溫室氣體排放意義重大。

3 油砂性質(zhì)

油砂作為一種混合物，其各組分的性質(zhì)直接影響油砂分離提取工作的難度，對于自然環(huán)境也會產(chǎn)生不同程度的影響。加拿大油砂瀝青含量平均在13%～15%，風(fēng)城油砂瀝青含量較加拿大油砂瀝青含量低約3%，平均含量在10%～12%，但是，風(fēng)城油砂中的粉質(zhì)土（粒徑＜0.1 m m）含量卻比加拿大油砂中的粉質(zhì)土含量高。新疆油砂與加拿大油砂在這些方面的差異導(dǎo)致了新疆油砂開采過程中的環(huán)境問題更加突出［13-14］。

3.1 儲層性質(zhì)

露天采掘的油砂視其固結(jié)程度高低決定是否機械破碎后再輸送到浮選機內(nèi)分離提取。機械設(shè)備的使用提高了能源輸入，也會增加溫室氣體的排放。通過對風(fēng)城地區(qū)14口取心井巖心觀察發(fā)現(xiàn)，風(fēng)城白堊系油砂固結(jié)程度高，膠結(jié)較致密，破碎難度大；而加拿大油砂膠結(jié)疏松，易破碎。

油砂分離提取時，浮選機內(nèi)經(jīng)過浮選作用在中部形成的懸濁液排放到尾礦池后，自然沉降、完全分離時間預(yù)計需要130年，這一事實極大地阻礙了尾礦水的即時循環(huán)利用。而中部懸濁液中細沙和黏土的來源主要是油砂混合物中的粉質(zhì)土。加拿大阿薩巴斯卡油砂黏土含量較低，粒徑＜0.1 m m的粉質(zhì)土含量低于7%；而新疆油砂黏土含量相對較高，粒徑＜0.1 m m的粉質(zhì)土含量占30%。阿薩巴斯卡油砂粒徑分布見表1。風(fēng)城白堊系清水河組油砂粒徑分布見表2。

表1 阿薩巴斯卡油砂粒徑分布

表2 風(fēng)城白堊系清水河組油砂粒徑分布

3.2 重油瀝青性質(zhì)

油砂黏度會對油砂分離提取產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)達到一定溫度時，重油瀝青處于黏流態(tài)，流動性增加有利于油砂分離提取。風(fēng)城油砂與加拿大油砂黏度-溫度關(guān)系對比見表3。

表3 不同溫度下風(fēng)城油砂與加拿大油砂黏度

風(fēng)城油砂瀝青黏度較加拿大油砂瀝青的黏度高，以80℃黏度對比看，風(fēng)城油砂瀝青黏度為8 870 m Pa·s。而加拿大油砂瀝青在80℃時黏度只有660 m Pa·s。因此，實現(xiàn)風(fēng)城油砂的分離提取需要增加提取過程中的溫度以及化學(xué)試劑使用量。溫度的提高以及化學(xué)試劑的大量使用將增加溫室氣體的排放量以及尾礦的處理難度。

綜合以上兩個方面，表明風(fēng)城油砂較加拿大油砂處理難度大，會產(chǎn)生大量的尾礦水，油砂處理需要消耗更多的水。同時，由于新疆油砂粉質(zhì)土含量高，尾礦中懸浮物分離所需時間更久，影響尾礦水的循環(huán)利用。

4 結(jié)論與建議

①水資源及尾礦水處理。風(fēng)城地區(qū)干旱少雨，水資源匱乏，地下水資源亦相當(dāng)匱乏。由于新鮮水的成本高，考慮主要使用鄰區(qū)注蒸汽開發(fā)后的循環(huán)水。同時，可以將露天開采后的尾礦水收集，處理達標(biāo)后再次循環(huán)利用。既可以減少新鮮水的用量，也可以避免形成的尾礦水對周邊自然環(huán)境造成威脅。

②尾礦處理。考慮到新疆油田自然環(huán)境因素，油砂處理過程產(chǎn)生的尾礦水不能按照加拿大尾礦池儲存、自然分離的處理方式，而應(yīng)該考慮在油砂處理過程中即時處理尾礦，引進加拿大有關(guān)尾礦處理技術(shù)，比如復(fù)合尾礦處理技術(shù)等。

③溫室氣體排放?？紤]采用高效全自動燃氣蒸汽鍋爐，使用經(jīng)過凈化處理的天然氣，鍋爐大氣污染物排放達到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；在工藝上采用密閉集輸工藝流程，集油、計量、集輸?shù)热窟M行密閉處理。

④油砂就地開采方式各項技術(shù)逐步提高，考慮改進就地開采技術(shù)適用范圍，以期在不久的將來實現(xiàn)油砂的全部就地開采。就地開采方式相對露天開采是環(huán)境友好型的。大力發(fā)展蒸汽輔助重力泄油、坑道蒸汽輔助重力泄油等就地開采技術(shù)，可以避免水資源利用、溫室氣體排放以及尾礦堆積等油砂開采過程中的環(huán)境問題。

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10.3969/j.issn.1005-3158.2015.05.006

1005-3158（2015）05-0018-04

2014-11-17）

（編輯 王薇）

中國石油天然氣集團公司重大科技專項（2014 A-4808）。

何玉春，中國石油大學(xué)（華東）石油地質(zhì)專業(yè)在讀碩士研究生。通信地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號，266580